Menggunakan ion alami tubuh untuk membantu mengirimkan data dari perangkat implan

Menggunakan ion alami tubuh untuk membantu mengirimkan information dari perangkat implan

Bioelektronik implan sekarang sering menjadi kunci dalam membantu atau memantau jantung, otak, dan organ important lainnya, tetapi mereka sering kekurangan cara yang aman dan andal untuk mengirimkan information mereka ke dokter.

Sekarang peneliti di Teknik Kolombia telah menemukan cara untuk meningkatkan bioelektronik implan dengan tautan information nirkabel sederhana, berkecepatan tinggi, berdaya rendah menggunakan ion, atom bermuatan positif atau negatif yang tersedia secara alami di dalam tubuh.

Bioelektronik implan semakin memainkan peran kunci dalam perawatan kesehatan. Misalnya, alat pacu jantung dapat membantu memastikan bahwa jantung pasien mempertahankan detak yang sehat, dan perangkat antarmuka saraf dapat membantu pasien dengan epilepsi dan gangguan lainnya dengan merangsang daerah otak tertentu untuk mengurangi gejala neurologis mereka, atau bahkan menghubungkan otak pasien yang lumpuh dengan tungkai robotic. Namun, satu tantangan utama yang dihadapi bioelektronik implan adalah bagaimana mengkomunikasikan information mereka melalui tubuh ke perangkat eksternal untuk analisis dan diagnostik lebih lanjut oleh dokter dan ilmuwan.

“Dari aktivitas otak atau otot hingga konsentrasi hormon, information ini perlu ditransmisikan sehingga dapat menjalani pemrosesan lanjutan dan ditinjau oleh para ahli sebelum pengambilan keputusan medis terjadi,” kata rekan penulis senior studi tersebut. Dion Khodagholyseorang profesor dari teknik listrik di Universitas Columbia.

“Ini sangat penting untuk kondisi di mana bisa ada fluktuasi substansial dari waktu ke waktu, seperti pada epilepsi atau gangguan gerakan,” tambah rekan penulis studi tersebut. Jennifer Gelinas, asisten profesor neurologi di Columbia College Irving Medical Middle. “Salah satu contohnya adalah perangkat NeuroPace untuk epilepsi — information darinya perlu diunduh agar dokter dapat menyesuaikan protokol stimulasinya untuk mengobati kejang dengan lebih baik.”

Meskipun kabel menawarkan cara sederhana untuk mengirimkan information dengan cepat dari implan ke mesin luar, cara mereka menembus jaringan membatasi penggunaan jangka panjangnya. Pada saat yang sama, pendekatan nirkabel konvensional menggunakan gelombang radio atau cahaya tampak sering melakukan pekerjaan yang buruk dalam menembus jaringan biologis.

“Komunikasi nirkabel jangka panjang yang aman, efektif dengan perangkat implan masih kurang,” kata Khodagholy.

Memanfaatkan ion tubuh

Strategi menarik yang dapat digunakan bioelektronika untuk komunikasi adalah salah satu yang sering digunakan tubuh—ion. Di dalam tubuh, sel secara teratur mengocok ion untuk berkomunikasi satu sama lain.

Sekarang Khodagholy dan rekan-rekannya telah mengembangkan cara untuk menggunakan ion tubuh untuk mengirimkan information dengan kecepatan megahertz—yaitu, jutaan bit per detik. Milik mereka studi, “Komunikasi ionik untuk bioelektronika implan”,” muncul 6 April di jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuan.

Cara jaringan hidup kaya dengan ion berarti mereka menyimpan energi potensial listrik, seperti halnya baterai listrik. Teknik baru, yang disebut komunikasi ionik, memanfaatkan fakta ini untuk membantu pertukaran information bioelektronik yang ditanamkan dengan perangkat eksternal.

Komunikasi ionik melibatkan satu pasang elektroda yang ditanamkan di dalam jaringan, dan sepasang elektroda lainnya diletakkan di permukaan jaringan itu. Perangkat implan mengkodekan information dalam pulsa listrik bolak-balik yang menyimpan energi di dalam jaringan. Pada gilirannya, penerima permukaan dapat mendeteksi energi ini dan memecahkan kodenya.

Dalam studi baru, para peneliti merinci sifat geometris apa yang mengatur kedalaman komunikasi ionik yang mungkin dicapai di dalam tubuh, serta strategi untuk membangun beberapa jalur komunikasi paralel antara elektroda. Mereka menemukan komunikasi ionik mampu mentransmisikan information melintasi jarak yang dapat membantunya menargetkan berbagai jenis jaringan, dari kulit manusia hingga organ visceral.

“Komunikasi ionik adalah bentuk komunikasi information berbasis biologis yang membangun interaksi jangka panjang dan kesetiaan tinggi di seluruh jaringan yang utuh,” kata Khodagholy.

Dari teori ke prototipe

Dalam percobaan, para ilmuwan menciptakan antarmuka saraf yang sepenuhnya dapat ditanamkan menggunakan komunikasi ionik untuk tikus. Mereka menunjukkan itu bisa memperoleh dan non-invasif mengirimkan information otak dari hewan pengerat yang bergerak bebas selama rentang minggu dengan stabilitas yang cukup untuk mengisolasi sinyal dari neuron individu.

Menggunakan 10 jalur komunikasi dengan elektronik komersial yang tersedia saat ini, para ilmuwan mencapai tingkat komunikasi 60 megahertz. Mereka memperkirakan bahwa satu jalur komunikasi ionik berpotensi mencapai tingkat komunikasi hingga 14 megahertz.

Para ilmuwan mencatat bahwa komunikasi ionik membutuhkan tegangan rendah dan daya yang jauh lebih sedikit daripada komunikasi radio atau ultrasound. Eksperimen mereka juga mengungkapkan perangkat komunikasi ionik mereka terbukti ribuan hingga jutaan kali lebih hemat energi dalam mengkomunikasikan information daripada pendekatan lain yang digunakan dengan bioelektronik implan.

Perangkat komunikasi ionik dapat dibuat dari bahan yang lembut, fleksibel, tersedia secara komersial, biokompatibel—yaitu, tidak berbahaya bagi jaringan hidup—dan bahkan dapat terurai secara hayati, menunjukkan bahwa mereka dapat dengan mudah digunakan dalam perangkat implan praktis yang dapat larut begitu tidak digunakan. lebih lama dibutuhkan. Khodagholy dan rekan-rekannya sekarang bertujuan untuk menggabungkan komunikasi ionik dengan transistor organik dalam biosensor implan.

Tema bersatu

Karya terbaru ini melanjutkan penelitian keseluruhan Khodagholy yang berusaha menghubungkan perangkat bioelektronik dengan otak manusia. Sebagai contoh, dia dan rekan-rekannya baru-baru ini mengembangkan bahan yang membantu sinyal ionik melakukan hanya dalam arah tertentu yang dipilih. Ini dapat membantu para ilmuwan mengembangkan sirkuit yang menggunakan ion alih-alih elektron agar dapat berinteraksi dengan tubuh dengan lebih baik. Sirkuit seperti itu biasanya tidak akan berfungsi jika ion dapat berjalan ke segala arah dan menyebabkan interferensi yang tidak diinginkan antara bagian yang berbeda dari setiap sirkuit. “Konduktor ion anisotropik” yang baru adalah bahan komposit yang lembut dan biokompatibel, menunjukkan bahwa bahan tersebut terbukti berguna dalam bioelektronika yang dapat ditanamkan, dan proses untuk mensintesisnya sangat mudah dan terukur. Milik mereka belajar“Komposit Partikulat Penghantar Ion Anisotropik untuk Bioelektronika,” muncul 27 Januari di jurnal Ilmu Pengetahuan Lanjutan.

“Materi baru yang kami kembangkan memiliki sifat unik yang memungkinkan penerapan perangkat bioelektronik organik skala besar, yang dapat meningkatkan terjemahannya ke aplikasi kesehatan manusia,” kata Khodagholy. “Selanjutnya, kami bertujuan untuk merancang sirkuit terpadu berbasis anisotropik-ion-konduktor yang ringkas dan kompleks yang terdiri dari banyak transistor organik untuk aplikasi bioelektronika.”

Artikel asli: Komunikasi Nirkabel, Kecepatan Tinggi, Daya Rendah untuk Perangkat Implan

Lebih dari: Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan Fu Basis | Universitas Columbia

Total
0
Shares
Leave a Reply

Your email address will not be published.

Related Posts